页岩气水平井水力振荡器降摩减阻工艺研究与应用
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摘要：根据水力振荡器的工作原理，分析了水力振荡器的降摩减阻效果，确定了页岩气水平井水力振荡器的安装位置、最大振荡力和工作频率最优参数，现场应用取得了较好效果。
关键词：页岩气;水力振荡器;降摩减阻;水平井
威远构造页岩气储量丰富，但开发难度大，开发成本高，严重制约了油田增产目标，增大了油气开采成本。目前，页岩气一般采用“井工厂”模式，但其钻井施工作业却面临着施工难度大、钻井成本高等难题。因此，研究页岩气水平井关键钻井技术对控制钻井成本，缩短开发周期具有重要实践意义。
1 水力振荡器降摩减阻工艺
1.1 水力振荡器工作原理
根据水力振荡器的机械结构主要由3大部分组成（图1），主要包括：阀门和轴承系统：阀门和轴承系统中含有一对阀门，当钻井液从动力部分流过来之后，部分能量通过阀门的周期性作用转换为压力脉冲;动力部分：其动力部分的核心部件为结构与泥浆马达相似，核心为一个径长比为1：2的螺杆，在螺杆下端带有一个动阀片，与阀门系统一头的定阀片组成阀门，通过钻井液驱动螺杆旋转，使得阀片做周期性旋转;振荡短节：由对外密封的心轴和其外围轴向安装的弹簧组成，由于动力部分的动阀片和阀门轴承系统的定阀片之间周期性开闭产生的压力脉冲，带动心轴上下运动压缩弹簧，进而使得工具整体作往复运动。
工具上端與动力部分连接的是阀片和轴承系统，主要部件是耐磨套和与下端动力部分连接的定阀片，同时，与定阀片相互接触的为动力部分螺杆一端连接的动阀片，由于螺杆的转动，动阀片与定阀片的位置相错或重合，进而定阀片开口处于周期性开闭状态而导致阀片上端承受的液压周期性不断改变。
1.2 水力振荡器降摩减阻影响因素分析
1.2.1 振动参数
振动的主要参数应包括振幅和频率，由于水力振荡器振动为阻尼振动，因此并不能通过振幅来体现振动特性，而振幅通过最大振荡力控制。对于水力振荡器所产生的振荡力或振荡脉冲主要由工具的尺寸（对应于开泵面积）、工作压降（对应于压力脉冲）和工作频率决定，而工具产生的最大振荡力则由压力脉冲和开泵面积所决定，因此工具的最大振荡力和工作频率可能会对降摩减阻的效果产生影响。
1.2.2 安装位置
水力振荡器一般使用在水平井段，而降摩减阻效果的差异也可能体现在水力振荡器在水平段安装位置和水平段的井斜角的变化上。
1.2.3钻井参数
钻井液密度与性能、井眼轨迹、钻压等都可能会对水力振荡器的降摩减阻效果产生影响，然而，由于钻井工程不是以水力振荡器为优先级进行设计，因此分析改变钻井液等参数并不具有实际可操作性。
因此，水力振荡器降摩减阻有效影响因素包括：水力振荡器的安装位置、工具的最大振荡力和工作频率。由于近钻头处的下部钻具组合中立柱所受轴向摩擦力较大，整体呈现出降摩减阻效果随安装位置的上移而减小的趋势;整体呈现出降摩减阻效果随最大振荡力增大而增大的趋势;由于工作频率的增大，造成工具及附近钻柱速度增大达到摩阻降低的效果，但工作频率继续增大时，速度超过动摩擦系数曲线临界值，则表现为速度增大，摩擦力也相应增大。所以，较大的工作频率虽然对全井段钻柱的摩阻降低起到正面影响，但却对安装工具附近钻柱的摩擦力降低起到适得其反的效果，更增添钻柱发生屈曲的风险。
最终确定出水力振荡器推荐优化使用方案为：工具尺寸直径172mm;安装位置在钻头后200m～360m;最大振荡力为31.8kN、39.14kN;工作频率为16Hz。
2 水力振荡器降摩减阻应用
为了充分说明水力振荡器在威远地区页岩气水平井中的应用效果，本文利用与M1井同平台的M2井的实钻数据进行对比分析。M2井为一口三维水平井，与M1属同一平台，地层特征、井身剖面、井身结构、钻具组合及钻井参数都基本相同，但M2井在水平段施工时未使用水力振荡器。因此，可利用M1井和M2井水平段的实测井口大钩载荷进行对比分析。
根据滑动钻进工况下M1井和M2井水平段实测井口大钩载荷。M1井的井口大钩载荷始终大于M2井，说明M1井的水平段摩阻小于M2井，摩阻降低约30.8%，说明水力振荡器降摩减阻效果良好。通过水力振荡器在M1井的应用效果可以说明，水力振荡器能够有效的减小钻柱摩阻，消除了定向和水平钻进中的托压现象，提高了机械钻速，降低了钻井周期，减少了钻井事故发生的机率，在威远页岩气区具有一定推广价值。
3 结论
在页岩气深、超深水平井钻井施工中，推荐对通常使用直径为172mm水力振荡器采用以下工作参数：安装位置控制在钻头后200m～360m范围内，振荡力选择31.8kN或39.14kN，工作频率控制在16Hz作业。水力振荡器能够有效的减小钻柱摩阻，提高了机械钻速。
参考文献：
[1]聂靖霜.威远长宁地区页岩气水平井钻井技术研究[D].成都：西南石油大学，2013.
[2]秦富兵.威远区块页岩气水平井钻井工艺技术研究[D].成都：西南石油大学，2016.
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